16 1. INTRODUÇÃO O presente trabalho insere-se no projeto final de mestrado em Engenharia Mecânica na opção de energia térmica. O atual contexto energético global incentiva novas utilizações das energias renováveis, bem como melhoria e difusão das soluções técnicas já conhecidas. Uma das maiores fontes de energia renovável, senão a maior, é a energia solar, que além de influenciar outras fontes, como por exemplo, a energia eólica, irá ao futuro dar uma contribuição significativa, quer na redução do consumo de energéticos, derivados de petróleo quer na racionalização da utilização isto é, na melhoria da eficiência energética. A energia solar se apresenta a cada dia como a grande solução energética para o planeta. É uma fonte inesgotável, totalmente limpa que promove a total preservação do meio ambiente, além de atender a todas as fontes consumidoras de forma gratuita. Captando-se adequadamente a radiação solar, pode-se obter calor e eletricidade. O calor se alcança mediante coletores térmicos e a eletricidade através de módulos fotovoltaicos. Ambos os processos nada tem a ver entre si, nem quanto a sua aplicação prática. O calor capturado nos coletores térmicos pode, por exemplo, servir para aquecer a água para consumo doméstico, comercial e industrial. A energia solar também pode ser aproveitada para o resfriamento, visto que, para gerar baixas temperaturas, é necessária uma fonte de calor que perfeitamente pode ter sua origem nos coletores solares. Sabe-se, porém, que as tecnologias e as fontes energéticas usadas atualmente influenciarão significativamente o amanhã. E sabe-se claramente, que a maioria das tecnologias em uso não são ecologicamente apropriadas e está provocando danos irreversíveis à natureza, e por não serem renováveis, estão se esgotando rapidamente. Neste contexto, as fontes solar, eólica e de biomassa abundantes e ecologicamente atrativas surgem como principais opções na substituição gradativa das energias sujas, principalmente por não poluírem e não contribuírem para o aquecimento global, além de que as energias renováveis possuem características que as tornam atrativas como: uso e produção descentralizada, envolvendo um grande número de produtores e consumidores e baixo custo de manutenção apesar do custo inicial relativamente mais alto comparado a sistemas convencionais.
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1. INTRODUÇÃO - ppgem.ufcg.edu.br CARNEIRO RIBEIRO 2015.pdf · produzida, por reações termonucleares. A cromosfera é a camada da atmosfera solar logo acima da fotosfera. Ela
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Transcript
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1. INTRODUÇÃO
O presente trabalho insere-se no projeto final de mestrado em Engenharia Mecânica na
opção de energia térmica. O atual contexto energético global incentiva novas utilizações das
energias renováveis, bem como melhoria e difusão das soluções técnicas já conhecidas.
Uma das maiores fontes de energia renovável, senão a maior, é a energia solar, que
além de influenciar outras fontes, como por exemplo, a energia eólica, irá ao futuro dar uma
contribuição significativa, quer na redução do consumo de energéticos, derivados de petróleo
quer na racionalização da utilização isto é, na melhoria da eficiência energética.
A energia solar se apresenta a cada dia como a grande solução energética para o
planeta. É uma fonte inesgotável, totalmente limpa que promove a total preservação do meio
ambiente, além de atender a todas as fontes consumidoras de forma gratuita.
Captando-se adequadamente a radiação solar, pode-se obter calor e eletricidade. O
calor se alcança mediante coletores térmicos e a eletricidade através de módulos fotovoltaicos.
Ambos os processos nada tem a ver entre si, nem quanto a sua aplicação prática. O calor
capturado nos coletores térmicos pode, por exemplo, servir para aquecer a água para consumo
doméstico, comercial e industrial.
A energia solar também pode ser aproveitada para o resfriamento, visto que, para gerar
baixas temperaturas, é necessária uma fonte de calor que perfeitamente pode ter sua origem
nos coletores solares.
Sabe-se, porém, que as tecnologias e as fontes energéticas usadas atualmente
influenciarão significativamente o amanhã. E sabe-se claramente, que a maioria das
tecnologias em uso não são ecologicamente apropriadas e está provocando danos irreversíveis
à natureza, e por não serem renováveis, estão se esgotando rapidamente.
Neste contexto, as fontes solar, eólica e de biomassa abundantes e ecologicamente
atrativas surgem como principais opções na substituição gradativa das energias sujas,
principalmente por não poluírem e não contribuírem para o aquecimento global, além de que
as energias renováveis possuem características que as tornam atrativas como: uso e produção
descentralizada, envolvendo um grande número de produtores e consumidores e baixo custo
de manutenção apesar do custo inicial relativamente mais alto comparado a sistemas
convencionais.
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Em relação à energia solar, Bezerra (2001) explica que cálculos efetuados por
especialistas mostram que a energia solar incidente sobre um milésimo da superfície da terra
com uma eficiência de apenas 1% representa oito vezes todo o consumo mundial de energia
dos dias atuais, cerca de 12.000 TWh. Trata-se de uma energia que precisa ser mais explorada
e utilizada pela humanidade.
De acordo com (ABRAVA, 2008) – Associação Brasileira de Refrigeração, Ar
Condicionado, Ventilação e Aquecimento, o atual estágio de crescimento e desenvolvimento
das nações exigindo uma crescente e muitas vezes insustentável exploração dos recursos
naturais permite-nos criar e antever cenários nos quais o aquecimento solar venha a ser
aproveitado em grande escala, principalmente no Brasil, que tem condições de se tornar uma
referência mundial no aproveitamento do recurso solar. O Brasil tem um enorme potencial de
aproveitamento da energia solar: praticamente todas as suas regiões recebem mais de 2200
horas de insolação por ano com um potencial de 15 trilhões de MWh, correspondente a 50 mil
vezes o consumo nacional de eletricidade.
No Brasil, por ser um país tropical, esta fonte de energia encontra-se de forma bastante
abundante em todo território Nacional, principalmente na região Nordeste, onde se estima que
apresenta um alto nível de insolação ficando na ordem de 500 a 700 W/m2conforme
(BEZERRA, 1986).
No Brasil a utilização de chuveiros elétricos para aquecimento de água é disseminada
como em nenhum outro país do mundo. Esta prática se intensificou na década de 70, com a
crise do petróleo e com o incentivo ao uso de equipamentos elétricos. Nesta mesma década o
Brasil iniciou a construção de diversos empreendimentos hidrelétricos, havendo excedente de
energia no mercado, e nenhuma preocupação eminente quanto ao uso destes chuveiros e de
outros aparelhos consumidores de energia elétrica. Como resultado, os chuveiros elétricos são
produzidos em larga escala e consequentemente possuem baixo custo inicial, além de
apresentarem grande simplicidade de instalação. Esses fatores criaram condições para que tais
equipamentos fossem largamente disseminados nas residências brasileiras. No entanto, em
longo prazo, essa solução tecnológica traz uma série de malefícios para o setor de energia
elétrica, principalmente nos horários de ponta, quando a demanda de energia elétrica atinge
seu pico diário (ABRAVA, 2008).
Dados da CEMIG – Companhia Energética de Minas Gerais constantes em Figueredo
(1990) indicam que o uso de chuveiro elétrico no Brasil atinge o horário de pico das
18h00min às 19h00min, quando em pelo menos 50% das unidades habitacionais, que dispõe
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de chuveiro elétrico, existe pelo menos uma pessoa tomando banho, o que provoca uma
demanda de aproximadamente 8,5% da demanda nacional de energia que está sendo utilizada
neste horário. Estes dados indicam a utilização cada vez mais crescente de unidades
habitacionais com sistemas de aquecimento de água por energia solar como sendo um
caminho claro e viável para o alívio do sistema energético nacional. Sistema este cuja
principal fonte de energia para geração de eletricidade no Brasil é a energia hidráulica, apesar
de ser considerada uma fonte renovável e limpa, as usinas hidroelétricas produzem um
impacto ambiental ainda não adequadamente avaliado devido ao alagamento de grandes áreas
cultiváveis (STIVARI, 2005).
Segundo Fearnside (2005), estudos demonstram que gases do efeito estufa,
principalmente o metano, são emitidos para a atmosfera em consequência de processos de
degradação anaeróbica da matéria orgânica que ocorrem em áreas alagadas. Além disso, as
principais bacias hidrográficas brasileiras com capacidade de geração hidroelétrica de alta
densidade energética já estão praticamente esgotadas nos principais centros consumidores do
país (PEREIRA et al., 2006).
Atualmente, neste primeiro trimestre de 2014, o país encontra-se na iminência de
passar pela mesma dificuldade energética vivida em 2001, quando o setor energético
enfrentou situações caóticas no fornecimento de energia elétrica, quando as capacidades de
armazenamento nos reservatórios chegaram a índices alarmantes devido à falta de chuvas.
Nessa realidade atual, onde as fontes convencionais de geração de energia estão se
tornando cada vez mais raras e, portanto caras, no sentido inverso, aumenta a importância do
estudo na determinação de fontes alternativas baratas, renováveis e de baixo ou nenhum
impacto ambiental. Portanto, fazer previsões sobre desenvolvimento da tecnologia solar no
Brasil para o futuro não é tarefa impossível. Esta tecnologia tem uma presença bastante forte
no país, o que permite a partir da realidade atual imaginar qual poderá ser o curso dos
acontecimentos nas próximas décadas.
A proposta deste trabalho consiste em um estudo experimental para avaliar a eficiência
térmica de um coletor solar plano fechado operando em regime de circulação forçada testando
para duas configurações: na primeira, usará cobertura de policarbonato, e na segunda,
utilizando o mesmo coletor solar plano usará a cobertura de vidro. Feito os testes
experimentais, o desempenho deste coletor solar plano proposto será pela comparação da
eficiência térmica entre estas duas coberturas (policarbonato ou vidro).
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2.0 - OBJETIVOS
2.1 Objetivo geral
Avaliar a eficiência térmica de um coletor solar plano testando duas configurações:
cobertura de policarbonato e posteriormente cobertura de vidro e comparativamente
identificar qual das coberturas tem melhor resposta para o sistema proposto.
2.2 Objetivos específicos
Justificar a viabilidade da utilização do policarbonato para o fim proposto, caso este
apresente eficiência superior a do vidro.
Avaliar as quantidades de calor ganho para as duas condições de cobertura do coletor.
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3.0 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 - Radiação solar
A Energia Solar soma características bastante positivas para o sistema ambiental, pois o
Sol, trabalhando como um imenso reator à fusão, irradia na terra todos os dias um potencial
energético extremamente elevado e incomparável a qualquer outro sistema de energia, sendo a
fonte básica e indispensável para praticamente todas as fontes energéticas utilizadas pelo
homem na terra (SÁLES, 2008).
O Sol é a nossa maior fonte de energia, ela é gratuita e renovável. Explica (Frota e
Schiffer, 2003), que a radiação solar é uma energia eletromagnética de onda curta, que atinge
a terra após ser parcialmente absorvida pela atmosfera.
O Sol, nossa fonte de luz e de vida, é a estrela mais próxima de nós e a que melhor
conhecemos. Basicamente, é uma enorme esfera de gás incandescente, em cujo núcleo
acontece a geração de energia através de reações termonuclear.
O Sol é uma esfera de 695 000 km de raio e massa de 1,989 x 1030
kg, cuja distância
média da Terra é de 1,5 x 1011
metros. Sua composição química é basicamente de hidrogênio e
hélio, nas proporções de 92,1 e 7,8%, respectivamente (ABRAVA, 2008).
O modelo representado na Figura 3.1 mostra as principais regiões do sol. A fotosfera,
com cerca de 330 km de espessura e temperatura de 5785 k, é a camada visível do sol. Logo
abaixo da fotosfera se localiza a zona convectiva, se estendendo por cerca de 15% do raio
solar. Abaixo dessa camada está a zona radiativa, onde a energia flui por radiação. O núcleo,
com temperatura de cerca de 15 milhões de graus Kelvin, é a região onde a energia é
produzida, por reações termonucleares. A cromosfera é a camada da atmosfera solar logo
acima da fotosfera. Ela tem cor avermelhada e é visível durante os eclipses solares, logo antes
e após a totalidade. Estende-se por 10 mil km acima da fotosfera e a temperatura cresce da
base para o topo, tendo um valor médio de 15 mil km. Ainda acima da cromosfera se encontra
a coroa, também visível durante os eclipses totais. A coroa se estende por cerca de dois raios
solares (ABRAVA, 2008).
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Figura 3.1 – O SOL
Fonte – Habitação mais sustentável (2007).
3.1.1 - Constante solar e as componentes da radiação solar
Segundo (VIANELLO e ALVES, 1991), a densidade de fluxo de energia solar (ou
irradiância solar) que chega ao topo da atmosfera terrestre é expressa nas unidades de W/m2
(razão da potência pela área). Um parâmetro usado para caracterizar a entrada de radiação
solar na atmosfera é a constante solar, definida como a irradiância solar no topo da atmosfera.
Seu valor pode ser estimado dividindo-se a emitância total do sol pela área de uma esfera cujo
raio seja igual à distância média entre a terra e o sol. A irradiância solar que atinge o topo da
atmosfera terrestre é variável ao longo do ano, em virtude dos efeitos astronômicos,
principalmente aqueles ligados à órbita da Terra ao redor do sol. Ademais a intensidade de
radiação emitida pelo sol é função do comprimento de onda e de fenômenos que ocorrem na
própria fonte de energia (manchas solares, erupções solares, variações de temperatura na
atmosfera solar).
Assim, a irradiação solar é decomposta em componentes como mostra a Figura 3.2 as
diversas formas com que a irradiância solar se apresenta na superfície terrestre. A radiação
solar global é a somatória das parcelas direta e difusa da irradiância solar. A parcela direta ela
definida como a fração da irradiação solar que atravessa a atmosfera terrestre sem sofrer
qualquer alteração em sua direção original e a difusa é a parcela que sofre um espalhamento
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pelas nuvens e pelas partículas da atmosfera, sendo refletida na abobada celeste e nas nuvens
e ré - irradiada para a terra.
Figura 3.2 – Radiação solar global e seus componentes.
Fonte – Greenpro, (2004)
3.1.2 - Os movimentos da terra e as estações do ano
Além das condições atmosféricas, a disponibilidade de radiação solar, também
denominada energia total incidente sobre a superfície terrestre, depende da latitude local e da
posição no tempo (hora do dia e do ano), como mostra a Figura 3.3. Podem ser definidas essas
influências como:
Condições atmosféricas: nebulosidade, umidade relativa do ar alteram a radiação
disponível. Segundo (HUDSON; MERKELL 1985) este fato exerce reduzida influência
porque a radiação que atinge a superfície terrestre é formada por radiação direta e difusa. De
acordo com esses autores 10% da radiação que chega à superfície da terra em dias claros é a
radiação difusa. Contudo, nos dias nublados, frequentemente toda radiação disponível é a
difusa;
Latitude local: à medida que a latitude local aumenta, a área da superfície da terra que a
mesma radiação atinge é maior, resultando numa menor concentração de radiação.
Posição no tempo: a cada hora do dia os raios solares atingem uma dada superfície sob
diferentes ângulos. Desta forma, por um período do ano, o planeta expõe mais o hemisfério
Sul à luz solar e por outro período ele expõe mais o hemisfério Norte.
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Como o eixo polar possui uma inclinação de 23,45º em relação à normal do plano da
órbita terrestre, à medida que a terra orbita em torno do Sol, os raios solares incidem mais
diretamente em um hemisfério do que no outro. Assim, há verão com dias mais longos e
inverno com dias de menor duração (ABRAVA, 2008).
Figura 3.3 – Movimento de translação da Terra.
Fonte – ANEEL – Energia Solar, 2002.
No caso específico do Hemisfério Sul, os solstícios e equinócios são: Solstício de Verão
22 de dezembro, Equinócio de Outono 21 de março, Solstício de inverno 21 de junho e
Equinócio de Primavera 23 de setembro.
No solstício de inverno, que corresponde ao dia 21 de junho no Hemisfério Sul, temos a
maior noite do ano. Para descrever a trajetória do sol no céu, é conveniente adotar um sistema
de coordenadas fixo na terra e assumir que o sol se move em uma órbita circular em torno da
terra. Neste caso, em ambos os equinócios, o sol encontra-se sobre o plano do Equador,
correspondendo, assim, há dias e noites iguais, com 12 horas de duração (ABRAVA, 2008).
No solstício de verão, que ocorre em 22 de dezembro, o Sol encontra-se sobre o Trópico
de capricórnio, sendo assim verão no Hemisfério Sul. Isto significa que neste dia, às 12 horas,
o sol passa no ponto mais alto do céu. Este fenômeno é popularmente conhecido como “sol a
pino”. Para um observador instalado no Equador, este ângulo será de 23,45º ao Sul.
No solstício de inverno (21/06), o Sol encontra-se sobre o Trópico de Câncer, estando a
23,45º a Norte, ao meio dia solar, em relação a um observador no Equador. Dessa forma,
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considerando-se o movimento relativo do Sol em torno da terra, sua trajetória anual fica
compreendida entre os trópicos de câncer e capricórnio, como mostra a Figura 3.4.
Figura 3.4 – Trajetória anual do Sol.
Fonte - Manual de Capacitação. (ABRAVA, 2008).
De acordo com o Manual de Energia Alternativa do Centro de Pesquisas de Energia
Elétrica (CEPEL, 2001), o potencial de aproveitamento da energia solar de uma determinada
região é determinado, principalmente, em função de sua localização no Globo Terrestre. As
regiões localizadas entre os círculos polares e os trópicos podem ser consideradas como de
médio potencial de energia solar e as regiões localizadas entre as linhas tropicais podem ser
consideradas de alto potencial. A Figura 3.5 representa esta situação.
Figura 3.5 – Potencial de utilização de energia solar na terra.
Fonte - SÁLES, (2008).
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O Brasil encontra-se em uma região entre o trópico e próximo à linha do Equador,
privilegiando-se dos elevados índices solarimétricos fator determinante para o crescente
aproveitamento solar. A Figura 3.6 mostra que o Brasil possui grande parte de seu território
(cerca de 90%) na região considerada de alto potencial de energia solar.
Figura 3.6 – Potencial de utilização de energia solar no Brasil
Fonte - (SÁLES, 2008).
A maior parte do território brasileiro está localizada relativamente próxima à linha do
equador, de forma que não se observa grandes variações na duração solar do dia. Neste
contexto, torna-se evidente que o Brasil apresenta um dos maiores potenciais solares do
mundo.
3.1.3 - Solarimetria
É o ramo da meteorologia que se dedica a medição de parâmetros relativos à radiação
solar. Esses parâmetros, tais como números de horas de sol em um dia, insolação, (nº de horas
de sol), radiação direta e radiação difusa, radiação global e em casos mais específicos a
radiação em determinados comprimentos de onda são usados em diversas aplicações de
diferentes áreas do conhecimento (PRADO et al., 2007).
Em particular, para o uso da energia solar para aquecimento de água, esses parâmetros
são fundamentais, pois possibilitam estimar com precisão satisfatória, a quantidade de energia
recebida e assim, dimensionar as instalações e equipamentos envolvidos no processo, como os
coletores solares e os reservatórios de água quente, dentre outros (PRADO et al., 2007).
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3.1.4 - Instrumentos de medição da radiação solar
A medição da radiação solar, tanto a componente direta, como a componente difusa na
superfície terrestre é de maior importância para os estudos das influências das condições
climáticas e atmosféricas. Com um histórico dessas medidas pode-se viabilizar as instalações
de sistemas térmicos e fotovoltaicos em uma determinada região garantindo o máximo
aproveitamento ao longo do ano, onde as variações da intensidade da radiação solar sofrem
significativas alterações.
De acordo com as normas preestabelecidas pela Organização Mundial de
Meteorologia (OMM), são determinados limites de precisão para quatro tipos de
instrumentos: de referência ou padrão, instrumentos de primeira, segunda e terceira classe. As
medições padrões são: radiação global e difusa no plano horizontal e radiação direta normal.
3.1.4.1 - Piranômetros
Os Piranômetros medem a radiação global. Este instrumento caracteriza-se pelo uso de
uma termopilha que mede a diferença de temperatura entre duas superfícies, uma pintada de
preto e outra pintada de branco igualmente iluminada. A expansão sofrida pelas superfícies
provoca um diferencial que ao ser medida, mostra o valor instantâneo da energia solar.
Outro modelo de Piranômetro é aquele que utiliza uma célula fotovoltaica de silício
monocristalino para coletar medidas solarimétricas. Este Piranômetro é largamente utilizado,
pois apresenta custo bem menor do que os equipamentos tradicionais. Pelas características das
células fotovoltaicas, este aparelho apresenta limitações quando apresenta sensibilidade em
apenas 60% da radiação solar incidente.
3.1.5 - Avaliação do uso de energia solar para aquecimento de água no Brasil
Segundo Rodrigues; Matajs, (2005), com média anual de 280 dias de sol e 15 trilhões de
MWh de energia solar incidente no ano, o Brasil possui um enorme potencial para o
desenvolvimento do mercado de aquecedores solar, como mostra a Figura 3.7 A região
Nordeste, por exemplo, possui insolação comparada as melhores regiões do mundo. As outras
regiões apesar de possuírem insolação média anual menor, ainda apresentam melhores índices
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de radiação que muitos países que fazem uso intensivo da energia solar para aquecimento de
água.
Figura 3.7 – Potencial anual médio de energia solar em cada uma das cinco regiões brasileiras.
Fonte - Atlas brasileiro de energia solar, (2006).
3.1.6 – Os ângulos de incidência da radiação
O movimento relativo entre o sol e a terra tem influência direta no posicionamento dos
coletores solares. Para o melhor aproveitamento da radiação solar é necessário que os
coletores sejam instalados com a inclinação e a orientação adequada. Desta forma é possível
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ter o bom funcionamento do sistema com menores custos de instalação e maior rendimento
mensal.
A inclinação e orientação do sistema dependem da localização geográfica da instalação.
Ao instalar os coletores com o posicionamento adequado consegue-se maior período diário de
insolação sobre as placas e consequentemente maior captação da radiação solar em
determinadas épocas do ano.
3.1.6.1 - Ângulo de inclinação da superfície (β)
É o ângulo formado entre o plano do coletor e o plano horizontal de referência
conforme (Figura 3.8).
Figura 3.8 – Inclinação do coletor solar
Fonte - Manual de Capacitação (ABRAVA, 2008)
No caso de instalações solares para aquecimento de água é recomendado que os
coletores tenham uma inclinação fixa. A mudança na inclinação destes coletores ao longo do
ano seria muito complexa em função de uma série de tubulações que deveriam ser deslocadas
ocasionando aumento de manutenção e problemas como o surgimento de sifões. Desta forma
existem alguns critérios utilizados na escolha da inclinação que normalmente coincidem, mas
nem sempre com inclinação dos telhados de residências.
Os critérios adotados são:
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Média anual: o cálculo da inclinação média entre os solstícios de inverno e verão coincide
com a própria latitude local.
Favorecimento do inverno: como normalmente o consumo de água quente no inverno
aumenta recomenda-se utilizar como inclinação a latitude local mais 10º.
Para casos específicos como períodos críticos de insolação ou períodos de pico de demanda
de água quente, devem-se ter um projeto que atenda da melhor forma essas exigências.
3.1.6.2 - Ângulo azimutal de superfície (γ)
É o ângulo formado entre a projeção da normal a superfície, e o plano do meridiano
local. Para o sul é zero, para o leste é negativo e para o oeste é positivo (-180º ≤ γ ≤ 180º),
como mostra a Figura 3.9.
Figura 3.9 – Ângulo azimutal de superfície
Fonte - Manual de Capacitação ABRAVA, (2008).
A orientação dos coletores deve ser feita de forma a direcionar a superfície do coletor
para o Norte. Cabe destacar que a referência é o norte geográfico e não o norte magnético
indicado por bússolas e GPS, devendo ser feita uma correção em função do local da instalação
quando forem utilizados estes tipos de instrumentos. O ângulo γ é também conhecido como
ângulo de desvio do norte geográfico. A partir da indicação do norte magnético pela bússola
deve-se fazer a correção da declinação magnética de acordo com o local da instalação.
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3.1.7 - Fenômenos físicos envolvidos na conversão da energia solar
Formas de transferência de calor entre duas fontes.
Calor é a energia que é transferida entre um sistema e seu ambiente devido a uma
diferença de temperatura que existe entre eles. A transferência de calor pode ocorrer através
da condução, convecção ou radiação (COELHO, 2011).
Condução: é a transferência de calor por contato direto entre as partículas de dois
corpos com temperaturas diferentes. Ocorre quando o calor é transferido através de um sólido
de uma região de temperatura mais elevada para outra região com temperatura mais baixa. Os
principais meios condutores sólidos utilizados em coletores solares são o cobre e o alumínio.
Convecção: ocorre em função da diferença de densidade entre líquidos, fluídos e
gases. As correntes de convecção são formadas pelo deslocamento de massas mais quentes
que tendem a subir e massas mais frias que tendem a descer.
Radiação: a radiação é consequência da energia interna dos corpos, sendo diretamente
proporcional a sua temperatura.
Seja para aquecimento de água a baixa temperatura para fins sanitários ou alta
temperatura para a produção de vapor para a geração de eletricidade, o coletor solar tem papel
fundamental. Deve-se buscar maximizar a energia incidente nos coletores e minimizar as
perdas térmicas. A eficiência térmica dos coletores solares (ɳ) é dada pela razão entre a taxa
de transferência de calor para a água denominada calor útil (Ԛútil) e a taxa de energia solar
(IG) incidente na área do coletor solar (Ac), conforme mostra a equação (1).
ɳ =
(1)
Onde:
η = é a eficiência térmica do coletor (%)
Qútil=calor útil (kW)
IG = taxa de energia solar (W/m2)
Ac = área do coletor (m2)
A Figura 3.10 mostra o fluxo de energia no coletor solar. A energia incidente sofre
perdas óticas e térmicas por radiação, convecção e condução.
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Figura 3.10 – Fluxo de energia no coletor solar
Fonte - Manual de Capacitação (ABRAVA, 2008).
A radiação solar incidente nos coletores pode ser transferida, refletida e absorvida.
Logo, as perdas óticas estão associadas às propriedades de transmissividade, refletividade e
absortividade. Sendo assim, a energia incidente pode ser considerada como o somatório da
energia absorvida, transmitida e refletida.
A absorvidade é definida como sendo a fração da energia incidente que é absorvida pela
superfície da placa. A refletividade é a parcela da energia incidente que é refletida pela placa.
E por fim a transmissividade é definida como a parte da energia irradiada transmitida através
do meio semitransparente.
As perdas térmicas por convecção ocorrem quando há transferência de energia entre
uma superfície sólida e um fluído em movimento submetido a uma diferença de temperatura
entre eles.
3.1.8 - Tipos de energia limpa
A energia limpa é renovável e alternativa, a renovável se refere a toda energia produzida
através de fontes que ocorrem repetidamente na natureza, à energia alternativa se refere a
fontes não convencionais. Hoje as energias renováveis estão deixando de ser uma promessa e
transformando-se em realidade.
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O Brasil possui um dos maiores potenciais de energia renovável do mundo.
A energia está presente em toda a matéria. O que difere uma da outra é a facilidade
como podemos acessá-la, e os impactos causados pela sua utilização. Fontes de energia limpa
tendem a apresentar menor impacto ao ambiente.
Hoje são classificadas como energia renovável as seguintes fontes de energia: hídrica,
eólica, geotérmica, biomassa, solar, marítima.
As tecnologias de conversão da energia solar mais difundida hoje são a térmico-solar e a
fotovoltaica. No Brasil a tecnologia fotovoltaica, conversão de energia solar em eletricidade, é
pouco usada, sendo principalmente utilizada em comunidades isoladas através dos incentivos
do programa do governo “Luz para Todos” e em rodovias para abastecimento de unidades
remotas de iluminação e controle.
A tecnologia térmica-solar, que consiste na captura da radiação solar e conversão em
calor é mais difundida no Brasil, sua principal aplicação está voltada para as residências,
hotéis e na indústria.
O Brasil neste cenário:
O Brasil pode ter sua matriz energética majoritariamente limpa até 2050. É o que mostra
a 3ª edição do Relatório [R] evolução Energética elaborada pelo Greenpeace em agosto de 2013.
A participação das fontes renováveis pode ser 47% maior na matriz energética brasileira
nos próximos 40 anos do que o projetado pela política atual do governo. Segundo o Relatório
[R] evolução Energética divulgado em 2013 pelo Greenpeace a matriz pode contar com
66,5% de fontes como vento, sol e biomassa para alimentar setores elétrico, industrial e de
transporte em 2050.
Em sua 3ª edição o [R] evolução Energética propõe uma matriz energética limpa e
sustentável com base nos recursos disponíveis e tecnologias atuais. Este cenário atende a
necessidade futura de energia para o país e concilia crescimento econômico com preservação
ambiental.
O Brasil precisa transformar essa vantagem comparativa em vantagem competitiva, e
para isso precisamos apoiar regulamentações internacionais que subsidiem um crescimento
com menos impactos ao nosso entorno. O protocolo de Kyoto deu inicio a este caminho, mas
apresenta uma grande necessidade de alterações e implementações para tornar-se um
mecanismo mais efetivo.
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3.1.9 - O aproveitamento da energia solar
Segundo (ALDABÓ, 2002), o maior desafio para o projetista de sistemas de
aproveitamento de energia solar consiste no estudo e previsão da irradiância solar, nos meios
utilizados para capturar essa energia e na forma de armazenamento. Também afirma que a
quantidade de energia incidente sobre uma superfície plana de um metro quadrado no período
de um dia não é muito quando comparado com a intensidade de outras fontes conhecidas de
energia, dessa forma, o sistema de energia solar necessita de coletores espalhados por uma
grande área para que seu rendimento seja razoável.
De acordo com Pereira et al. (2006), no ABES, a média diária da irradiância solar,no
plano horizontal disponível no Brasil varia de 4,25 Wh/m2 por dia, em alguns locais da região
Sul, e até 6,5 Wh/m2 no interior da região nordeste. O aproveitamento dessa energia tem sido
principalmente pelo uso de painéis fotovoltaicos e de aquecimento de água para o consumo,
mas ainda é muito pequena a parcela de aproveitamento da energia solar, em contrapartida ao
grande potencial existente no país.
3.1.10 - O aproveitamento da energia solar no Brasil
O Brasil possui um dos maiores e melhores potenciais energéticos do mundo. Com
cerca de 8,5 milhões de quilômetros quadrados, e mais de 7 mil quilômetros de litoral, mas
apenas duas fontes energéticas tem sido extensivamente aproveitadas, hidráulica e petróleo.
Cerca de 78% do suprimento de energia elétrica do país provém de geração hidráulica.
Segundo (KASTRUP, 2006), das fontes de energia renováveis disponíveis atualmente
no mundo, a que melhor se adapta ao Brasil como fonte primária é a solar, devido à situação
privilegiada do país em relação à incidência de raios solares.
Por ser um país localizado na sua maior parte na região intertropical, o Brasil possui
grande potencial de energia solar durante todo o ano.
Segundo (PEREIRA, 1997), a utilização da energia solar poderia trazer benefícios em
longo prazo para o país, viabilizando o desenvolvimento de regiões remotas, regulando a
oferta de energia em situações de estiagem e reduzindo as emissões de gases poluentes à
atmosfera como estabelece o Protocolo de Kyoto.
Segundo (ABRAVA 2001), a tecnologia do aquecedor solar já vem sendo usada no
Brasil desde a década de 1960, época em que surgiram as primeiras pesquisas, sendo que em
34
1973 empresas passaram a utilizá-las comercialmente. O mercado brasileiro de aquecimento
solar teve seu crescimento em números consideráveis nos meados da década de 1970 com a
crise do petróleo.
O aquecimento solar será uma das principais tecnologias renováveis no Brasil nos
próximos anos, contribuindo assim com a Política Nacional de Mudanças Climáticas
(PNMC), que estabelece meta de redução voluntária entre 36,1% e 38,9% na emissão
brasileira de gases de efeito estufa até 2020. A iniciativa envolve o Procobre - Instituto
Brasileiro do Cobre, a Associação Brasileira de Refrigeração, Ar Condicionado, Ventilação
(ABRAVA, 2008), a Agência de Cooperação Técnica Alemã – Deutsche Gesellschaft fur
Technische Zusammenarbeit (GTZ), a Renewable Energy and Energy Efficiency Partner ship
(REEEP) e o Instituto Ekos do Brasil.
Segundo o Relatório Global de Energia Renováveis de (2010) REN 21 o Brasil já é o
quarto maior mercado de aquecedores solares do mundo, ficando atrás da China, Turquia e
Alemanha. A título de comparação, segundo as estatísticas publicadas pela Associação da
Indústria Solar Alemã (BSW – Solar), foram instaladas em 2010, 1,15 milhões de metros
quadrados de coletores solares na Alemanha, sendo que quase 50% das novas instalações
foram sistemas combinados para aquecimento de calefação. Com isto, o país acumula uma
área de coletores de 14 milhões de metros quadrados. A Figura 3.11 mostra a divisão do
mercado de aquecimento solar brasileiro, com a região sudeste sendo o maior mercado, com
69%.
Figura 3.11 – O Mercado de Aquecimento Solar Brasileiro.
Fonte – ABRAVA, (2010)
35
Em todo o mundo existem vários programas desenvolvidos que visam medidas
concretas e até mesmo de caráter obrigatório, de modo a atingir as metas para sustentabilidade
tais como, por exemplo, Plano Nacional de Alterações Climáticas (PNAC), Plano Nacional de
Ação para a Eficiência Energética (PNAEE), e Plano Nacional de Atribuições de licenças de
Emissão (PNALE), esses planos inclusive o Protocolo de Kyoto em nível mundial, vão ao
encontro de uma filosofia ambientalista que tem como objetivo a sensibilização da população
para a redução da emissão de gases que causam o efeito estufa, racionalização da energia e
desenvolvimento e implementação de sistemas que contribuam para estas alterações.
Em 2009 o Brasil lançou o Programa Nacional de Eficiência Energética em Edificações
– PROCEL EDIFICA, este programa visa contribuir as bases necessárias para racionalizar o
consumo de energia nas edificações no Brasil. Essas ações foram organizadas e ampliadas
com o objetivo de incentivar a conservação e o uso eficiente dos recursos naturais (água, luz,
ventilação etc.) nas edificações, reduzindo os desperdícios e os impactos sobre o meio
ambiente. O consumo de energia elétrica nas edificações corresponde à cerca de 45% do
consumo faturado no país. Estima-se um potencial de redução deste consumo em 50% para
novas edificações e 30% para aquelas que promoverem as reformas que contemplem os
conceitos de eficiência energética em edificações. O PROCEL EDIFICA, vem trabalhando
através de seis vertentes de atuação: Capacitação, Tecnologia, Disseminação,
Regulamentação, Habitação, Eficiência Energética e Planejamento.
3.2 - Policarbonato (PC)
Também conhecido como: Durolon, Makrolon, Lexan e Polyhard, o policarbonato é um
termoplástico de engenharia composto de uma resina resultante da reação entre derivados do
ácido carbônico e o bisfenol A. Mantém a sua resistência ao impacto numa larga escala de
temperatura e mesmo em condições ambientais severas, suporta temperaturas desde os -50º
até + 135º e tem boas propriedades ópticas aliadas à alta resistência a exposição solar
(radiação UV).
O policarbonato é relativamente novo, é na verdade um dos mais avançados polímeros
no campo dos plásticos, sendo considerado um plástico de engenharia, ou seja, um material
que reúne características de resistência que o qualifica para aplicações de alta exigência.
Possui garantia de 10 anos contra amarelecimento e tratamento anti-UV em um dos lados da
chapa.
36
3.2.1 - Características e propriedades
O policarbonato é semelhante ao vidro, caracteriza-se por possuir alta transparência, que
pode chegar acima de 90%. Essa transparência é conseguida graças à sua estrutura amorfa.
Dentre todos os termoplásticos, o policarbonato é o que possui maior resistência ao impacto,
sem qualquer aditivação, a não ser os elastômeros.
A produção das chapas utiliza a alta tecnologia da coextrusão, a qual aumenta a
resistência aos raios ultravioletas solares.
O peso molecular varia de 10000 a 30000 g/mol, e sua densidade é 1,2 g/cm3 a 23ºc,
segundo a Norma ASTM D 792.
A Tg, temperatura de transição vítrea ou de amolecimento vicat, a qual se refere a
mobilidade molecular das regiões amorfas é de 150°C, permitindo aplicações onde a
temperatura de trabalho chegue a 130°C, e a raios ultravioletas.
A Tm, temperatura de fusão cristalina, a qual se refere à mobilidade molecular das
regiões cristalinas é de 268°C. A tabela 3.0 mostra algumas das propriedades dos
termoplásticos.
Tabela 3.0 – Propriedades de alguns termoplásticos de Engenharia.
Fonte – ATCP Engenharia Física, (2015).
37
3.3 - Vidro
O vidro é resultado da fusão de diversas matérias-primas inorgânicas minerais, as quais
depois de submetidas a um processo de resfriamento controlado transformam-se em material
rígido, homogêneo, estável, inerte, amorfo e isótropo, sendo sua principal característica, ser
moldável a uma determinada temperatura sem qualquer tipo de degradação. A principal fonte
de matéria-prima para a produção é o óxido de silício ou a sílica, obtida geralmente por
extração convencional, tanto de origem marinha como fluvial, ou de jazidas naturais.
Um vidro produzido à base de sílica pura apresentaria um ponto de fusão muito elevado
(1800ºC), o que exigiria formas especiais tornando-o inviável economicamente, e alta
solubilidade causando baixa resistência química. Assim, adicionam-se à sílica elementos
químicos, tais como, o óxido de sódio (Na2O) e/ou potássio (K2O) para reduzir a temperatura
de fusão da sílica, óxido de cálcio (CaO), óxido de magnésio (MgO) ou óxido de alumínio ou
alumina (Al2O3) a fim de aumentar a resistência química e mecânica do vidro. Os materiais
são extraídos de jazidas naturais (COLTRO, 2007).
No sistema solar de água em estudo também possui placa de vidro do tipo cristal float.
O cristal float é um vidro plano transparente, sem distorções ópticas, com espessura uniforme
e massa homogênea. O vidro float é ideal para aplicações que exigem perfeita visibilidade e
alta transmissão de luz. A cobertura de um coletor solar tem importante papel na sua
eficiência, a sua função é a de reduzir as perdas de calor, enquanto deve deixar passar a maior
quantidade de radiação solar possível. A cobertura reduz as perdas de calor de duas maneiras:
primeiro ela reduz as perdas por convecção, evitando o contato direto do ar ambiente com a
chapa absorvedora do coletor, e depois ela evita que a radiação térmica emitida pelo
absorvedor saia livremente do coletor. Dessa forma, a cobertura produz o chamado efeito
estufa. Até a alguns anos, no Brasil era comum encontrar coletores com diferentes tipos de
vidro, como os vidros fantasia do tipo canelado, martelado, pontilhado e os vidros lisos.
GREEN (2012) realizou um estudo de diversos tipos de vidros que foram testados em
relação a sua transmitância. Essa transmitância foi avaliada colocando-se chapas de vidros
expostas ao sol e medindo-se a quantidade de radiação solar que estava chegando até o
piranômetro. Ao se comparar a energia registrada em um piranômetro sem o vidro e outro sob
a chapa de vidro, pôde-se comparar os dois valores e avaliar a transmitância do vidro e de
outras coberturas de coletores solares.
38
Para avaliar o efeito que essa diferença na transmitância teria na produção final de
energia, o estudo comparou os resultados dos diversos tipos de cobertura em relação à
transmitância e em relação à produção média mensal que um determinado modelo de coletor
produziria com tal cobertura. A tabela 3.1 extraída deste estudo mostra o resultado para
diversos vidros tipo liso, fantasia e para o policarbonato.
Tabela 3.1 – Resultados Experimentais dos Ensaios de Coberturas Transparentes.
Vidros Novos
Tipos Transmitância Experimental % Produção Mensal de Energia
(kW/mês/m2)
Média Máxima
Liso 2 mm 86 87 78,1
Liso 3 mm 88 89 79,9
Liso 4 mm 84 85 74,7
Martelado 74 80 60,4
Canelado 77 79 67,3
Policarbonato 84 86 75,4
Fonte - Aquecimento solar de água (técnicas, práticas e aplicações).
3.4 - Funcionamento dos sistemas de aquecedores solares
O coletor solar é o responsável pelo aquecimento do fluido de trabalho que pode ser
água, ar ou outro fluido térmico, através da conversão da radiação solar em térmica. Um
sistema de aquecimento de água utilizando energia solar é geralmente composto por três
sistemas básicos: captação, armazenamento e consumo conforme mostra a Figura 3.12.
39
Figura 3.12 – Esquema de um desenho do sistema de aquecimento solar residencial.
Fonte - Manual de Capacitação (ABRAVA 2008).
O sistema de captação é composto pelo coletor solar e as tubulações que ligam o
coletor com o reservatório. No caso de instalações maiores é utilizada uma bomba hidráulica
para fazer a circulação do fluído de trabalho, normalmente a água.
O sistema de armazenamento tem como principal componente o reservatório térmico,
responsável por acumular a água quente para ser usado no momento em que há demanda.
Além do reservatório existem os sistemas auxiliares que contribuem com o fornecimento de
energia adicional em períodos de chuva, baixa insolação ou aumento da demanda.
Normalmente é utilizado eletricidade ou gás no sistema auxiliar.
O sistema de consumo consiste na distribuição da água aquecida entre o reservatório
térmico e o ponto de consumo. Conhecido também como circuito secundário.
3.5 - Principais componentes dos coletores solares planos
Os principais componentes dos coletores solares planos fechados são apresentados na
Figura 3.13 abaixo:
40
Figura 3.13 – Componentes dos coletores solares fechados.
Fonte – SOLETROL, (2013)
Os coletores solares do tipo fechado, os mais utilizados no Brasil para fins sanitários,
são constituídos pelos seguintes componentes:
Caixa Externa: estruturas fabricadas em perfis de alumínio ou plástico duro para abrigar
os demais componentes do coletor solar, com a função de proteger todo o conjunto e auxiliar
na vedação. As caixas são fabricadas com chapa de alumínio na base e perfis de alumínio nas
laterais. As peças são unidas através de rebites ou solda específica para alumínio. A utilização
destes materiais na fabricação das caixas deve-se ao fato dos coletores solares situarem-se em
área externa e ficarem sujeitos às intempéries que provocam a oxidação dos materiais.
Isolamento Térmico: material como lã de vidro, lã de rocha ou espuma de poliuretano
expandido instalado na base da caixa, revestindo-a com o objetivo de minimizar as perdas de
calor para o meio externo. O material isolante fica entre a base da caixa e os tubos.
Tubos ou Serpentinas: tubulação geralmente em cobre, devido à alta condutividade
térmica e resistência à corrosão apresentada pelo material, com a função de conduzir a água
desde a calha inferior, por onde entra, passando por diversos tubos perpendiculares (flauta) até
a calha superior, por onde a água quente sai do coletor. A tubulação perpendicular é formada
por tubos de menor diâmetro, em números variados.
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Aleta ou Placa Absorvedora: chapas de alumínio ou cobre com pintura na cor preta, usa-
se o preto fosco para aumentar a absorção do calor. Tem a função de captar o calor
proveniente do sol e transferi-lo para a tubulação e desta para a água.
Cobertura Transparente: cobertura em vidro, policarbonato ou acrílico, fixada como
“tampa” da caixa externa e colada nas extremidades com silicone ou borracha de silicone
maleável, para manter o coletor isento de umidade externa. A cobertura permite a passagem
da radiação solar e impede a saída de calor.
3.6 - Principais tipos de coletores solares utilizados para aquecimento de água
Coletor solar plano Aberto: são os coletores adequados para aquecimento de piscinas,
conforme mostra a Figura 3.14 não exigem temperaturas muito elevadas, variando na faixa de
26ºC à 30ºC.
Figura 3.14 – Coletor solar plano aberto.
Fonte - SOLETROL, (2013)
Estes coletores abertos são fabricados com materiais resistentes ao cloro e a outros
produtos químicos como, por exemplo, polipropileno. O nome aberto se dá pelo fato de não
possuírem cobertura transparente ou isolamento térmico. Apresenta bom rendimento para
baixas temperaturas, mas o rendimento e reduzido à medida que a temperatura aumenta.
Coletor solar plano fechado: os coletores planos ou fechados atingem temperaturas na
faixa de 70ºC à 80ºC e normalmente são usados para fins sanitários. A Figura 3.15 mostra um
exemplo de instalação que utiliza coletor solar fechado.
42
Figura 3.15 – Coletor Solar plano Fechado.
Fonte – SOLARTECH, (2014)
Os coletores mais usados são os coletores planos. A superfície receptora neste tipo de
coletor é a mesma que transfere o calor para o fluido térmico. O coletor plano ideal deve
reunir um conjunto de características capazes de absorver a maior quantidade possível de
radiação solar e transmitir o máximo de calor para o fluído térmico.
Coletor com Tubos de Vácuo: os coletores tipos tubo de vácuo são utilizados em
aplicações que exigem temperaturas mais elevadas na faixa de 110ºC à 150ºC ou em regiões
de baixa radiação solar. A Figura 3.16 mostra um exemplo de coletor com tubo de vácuo.
Figura 3.16 - Coletor solar com tubo de vácuo.
Fonte – SOLETROL, (2013)
43
Os coletores de tubo de vácuo são os mais utilizados no mundo. Isto se dá em função de
sua utilização pela China, que possui aproximadamente 80 GWth (produção de potência
térmica) de capacidade instalada (SOLAR HEATING & COOLING PROGRAMME –
INTERNATIONAL ENERGY AGENCY,2010). Os tubos verticais são ligados entre si na
parte superior do coletor, a água do fluído de trabalho circula pelo conjunto de tubos e troca
calor com a água que circula na parte superior do coletor, a grande vantagem desse sistema é
que o vácuo elimina as perdas por convecção melhorando o rendimento.
A escolha do coletor mais apropriado é feita baseada na temperatura de operação
exigida. A Figura 3.17 mostra as curvas características dos coletores e suas aplicações.
Figura 3.17 – Correlação entre tipos de coletores planos e temperatura de operação.
Fonte – SOLETROL, (2013)
Os coletores solares planos abertos são adequados para uso em aquecimento de piscinas
que exigem temperaturas mais baixas na faixa de 30ºC, a partir dessa temperatura o
rendimento cai muito como pode ser visto na figura.
Os coletores solares planos fechados se enquadram em uma faixa intermediária sendo os
mais utilizados atualmente no Brasil. Em 2008 o Brasil possuía aproximadamente 2.400
Mwth instalados, correspondente a 81% do total de coletores solares instalados (SHC – IEA,
2010).
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Os coletores com tubo de vácuo apresentam um rendimento mais elevado inclusive em
temperaturas mais altas.
Uma vez definida a quantidade necessária de coletores solares é necessário saber como
eles serão integrados a edificação. Os coletores solares utilizados em obras de médio e grande
porte, geralmente são os mesmos usados em obras de pequeno porte. A orientação e a
inclinação também seguem os mesmos princípios adotados para instalações de pequeno porte.
3.7 - Instalações dos coletores solares do tipo fechado ou coletores de placa plana
A posição dos coletores solares planos em um sistema de aquecimento por energia solar
deve ser instalada em posição de máxima captação dos raios solares para que recebam a maior
quantidade possível de radiação durante o dia. Isto será possível se os coletores ficarem
expostos à insolação por maior período de tempo de forma que ocorra a maior captação de
raios solares sobre as placas coletoras. Como foi visto na subseção 2.1.2, a latitude do local de
instalação está relacionada com o ângulo de incidência e o hemisfério em que o local está
situado vai determinar a direção de inclinação do sol durante o dia, para o norte no hemisfério
sul ou para o sul no hemisfério norte (GUARIENTE, 2005).
O movimento de rotação da terra determina que o sol apareça no horizonte a leste e
desapareça no final do dia a oeste, por isso se posicionarmos os coletores solares voltados
para uma destas direções irá ocasionar a formação de sombra do coletor sobre ele próprio em
metade do dia, perdendo, portanto energia. Diante disto devem-se tomar como base as
características de insolação da região em que o sistema será utilizado. De acordo com a NBR
12269 (ABNT 1992), tem-se a seguinte recomendação para a instalação no Brasil:
Os coletores solares devem ser instalados voltados para o norte verdadeiro. Desvios de até 15º
desta direção não prejudicam seriamente a eficiência. Instalações executadas nas regiões
brasileiras situadas no hemisfério norte devem ter seus coletores solares voltados para o sul
verdadeiro.
Os coletores solares devem ser instalados com sua face voltada para o norte verdadeiro,
que fica aproximadamente 18º a direita do norte magnético, podendo também aceitar um
desvio de 30º para leste (nascente do sol) ou oeste (poente do sol). A Figura 3.18 abaixo
representa esta informação.
45
Figura 3.18 – Representação da orientação e inclinação do coletor solar.
Fonte – ABRAVA, (2008).
A correta posição do coletor solar escolhendo a inclinação e a orientação geográfica
garante uma melhor captação da radiação solar.
Como a demanda por água quente é maior quando a temperatura ambiente é mais fria, e
nesta época do ano a densidade de fluxo de radiação solar é a menor do ano por causa da
reflexão de difração dos raios solares na entrada da atmosfera, e pelo fato de não atingir a
superfície do local perpendicularmente, deve-se posicionar os coletores em relação ao plano
horizontal igual à latitude local + 15º. Este ângulo irá garantir um bom rendimento do coletor
solar durante todo o ano (SÁLES, 2008).
A radiação solar visível formada pelos raios ultravioletas incide sobre a superfície da
cobertura transparente parte da radiação solar é refletida, parte é absorvida e posteriormente
transmitida na forma de calor para o meio interno e para o meio externo, e parte atravessa a
superfície do vidro, incidindo diretamente sobre a placa absorvedora (aletas). Os raios
ultravioletas de ondas curtas, captadas pela placa absorvedora, transformam-se em raios
infravermelhos de ondas longas e não visíveis. Estes raios ao se chocarem internamente com a
superfície interna do vidro não conseguem atravessá-los de volta, com isto o interior da caixa
é aquecida. Com a incidência constante do sol sobre o coletor solar o interior da caixa se
mantém aquecida e transmite a energia térmica por convecção para a placa absorvedora
46
(aletas), e desta para os tubos (serpentinas), que aquecem a água que por sua vez entra no
interior dos tubos do coletor solar através do tubo horizontal inferior, à medida que a água vai
aquecendo atravessa toda a serpentina devido à diferença de densidade e sobe até o tubo
horizontal superior por onde a água já sai aquecida.
Há situações em que a movimentação da água no interior do coletor solar é feita através
de uma bomba de baixa potência. Isto ocorre quando o posicionamento do coletor solar em
relação aos reservatórios de entrada (água fria) e de saída (água quente) impede a
movimentação espontânea da água através da diferença de densidade, ou em casos de
reservatórios térmicos de maior capacidade para aumentar a eficiência do sistema.
3.8 - Fluido térmico
O fluido térmico é o responsável para transmitir o calor absorvido no coletor solar para
a água acumulada no reservatório térmico. Pode fazer isto diretamente, quando a própria água
acumulada circula pelo coletor e retorna para o reservatório, ver Figura 2.12, ou indiretamente
através de um trocador de calor como mostra a Figura 3.19 a seguir.
Figura 3.19 – Exemplo esquemático de um sistema de aquecimento com trocador de calor.
Fonte – ABRAVA, (2008)
47
Segundo (TREIS, 1991), o fluido térmico deve possuir como principais características,
alta condutividade e capacidade térmica, baixa viscosidade, baixa densidade e coeficiente de
expansão, que são características encontradas na água. Os chamados defeitos da água são a
possibilidade de congelamento, a formação de vapor em temperaturas ambiente e a formação
de incrustações e corrosão em alguns materiais. Por isso são usados recursos como respiros e
válvulas drenantes acionadas automaticamente por termostatos em sistemas passivos, e o
acionamento automático da bomba de circulação em sistemas ativos, para combater os
problemas da água como fluido térmico. Nos sistemas indiretos são usados como fluido
térmico, o etileno-glicol ou o propileno-glicol, que possuem excelentes características de
absorção e transmissão térmica.
3.9 - Reservatórios térmico
O reservatório térmico tem a função de regular o fornecimento de água quente para o
sistema, compensando perfis de consumo com vazões superiores aquelas que ocorrem na
circulação pelos coletores solares, ou possibilitando o fornecimento de água quente em
períodos que não existe radiação solar para promover o aquecimento, como por exemplo,
durante a noite ou nas primeiras horas da manhã. Ou seja, o reservatório térmico faz a
adequação entre a produção e o uso da água quente (GUARIENTE, 2005).
Os reservatórios térmicos quanto à posição, podem ser horizontais ou verticais, quanto à
pressão de trabalho podem ser de alta ou baixa pressão. Podem operar funcionando em
desnível ou em nível com a caixa de água fria. A troca de calor pode ocorrer em circuito
direto, sem trocadores de calor, ou em circuito indireto, com trocadores de calor. A posição do
reservatório, bem como a maneira como a água é introduzida no seu interior, seja por
recarregamento devido ao consumo, seja pela circulação no processo de aquecimento solar,
são importantes para definir a maneira como a água se acomoda no interior do reservatório
(COELHO, 2011).
Segundo pesquisa de (PHILIPSE DAVE, 1982) em reservatórios verticais a
estratificação ocorre com maior definição que nos horizontais, onde acontece equilíbrio de
temperatura mais rapidamente entre as camadas por condução térmica, uma vez que a área de
contato entre elas é maior, como mostra a Figura 3.20 modelo de um reservatório vertical, já a
Figura 3.21 mostra um modelo de reservatório horizontal.
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Figura 3.20 – Modelo de um Reservatório Vertical
Fonte – http//:www.astrosol.com.br
Figura 3.21 – Modelo de um Reservatório Horizontal
Fonte – http//:www.astrosol.com.br
Segundo Petrucci (1998), explica que devido à variação do peso específico da água em
função da temperatura, a água que entra no tanque em temperatura mais baixa que aquela que
se encontra em seu interior, tende a se posicionar abaixo desta. A este fenômeno dá-se o nome
de estratificação, pois a água se dispõe no interior do tanque como em camadas, segundo suas
temperaturas ou densidades.
Em sistemas passivos diretos de aquecimento de água por energia solar, a estratificação
é importante para facilitar o processo de circulação entre reservatório e coletores. Nesses
sistemas o posicionamento do reservatório na posição vertical favorece a estratificação, porém
nem sempre é possível devido a limitações arquitetônicas, devendo-se adotar então a posição
horizontal.
3.10 - Fonte auxiliar de energia
Os sistemas de aquecimento de água por energia solar têm a função de complementar o
aquecimento solar em períodos de baixa insolação ou consumo excessivo. Para compensar o